Nitruración de aceros para herramientas

La nitruración añade una capa dura y resistente al desgaste a una herramienta terminada sin temple, por lo que la pieza conserva su tamaño y la tenacidad del núcleo. Esta página recopila lo que el tratamiento produce en los aceros para herramientas, la profundidad y dureza a las que normalmente se mantiene, la estructura de capas detrás de la superficie y los puntos en el trabajo de matrices y moldes donde justifica su costo.

Qué produce la nitruración en un acero para herramientas

Los valores siguientes son el rango de trabajo para los aceros para herramientas de la serie H y comparables. Una capa más profunda no es mejor en matricería, porque el mismo nitrógeno que eleva la dureza también eleva la fragilidad de la capa.

Artículo	Valor	Qué significa en la práctica
Valores típicos para aceros para herramientas
Profundidad de nitruración	0,1–0,2 mm	La capa endurecida que soporta el desgaste. Profundidades de 0,5–1,0 mm indican cementación y son un error común al copiar objetivos de ese proceso.
dureza superficial	1000–1200 HV0.5	Típicamente alcanzada en aceros para herramientas de la serie H en nitruración gaseosa. Superar los 1000 HV es fácil para estos grados, y la dureza depende de cuánto cromo y aluminio contenga el acero.
Temperatura del proceso	525–545 °C	Por debajo del rango de revenido de la mayoría de los aceros para herramientas, por lo que la pieza se nitrura después del temple y revenido finales, no antes.
Tiempo de proceso	4–10 h	El rango habitual en la práctica. Los tratamientos más largos profundizan la capa y engrosan la capa compuesta en lugar de elevar la dureza superficial.
dureza del núcleo	Sin cambios	El interior conserva la dureza y la tenacidad de la pieza revenida, por lo que el tratamiento es adecuado para utillaje terminado.
Mecanismo de endurecimiento	Nitruros de aleación	El nitrógeno difunde y precipita nitruros de aleación finos, siendo el cromo el principal formador en los aceros para herramientas, y el aluminio el más fuerte donde un grado se diseña con él.

Fuente: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press), Sección 4.2.3 y las curvas de respuesta medidas en la Figura 4.11.

La capa superficial y la zona endurecida

La concentración de nitrógeno en la superficie decide qué capa se forma. El mismo equipo ejecuta los tres rangos cambiando la atmósfera, por lo que la capa es una elección del proceso y no una propiedad del acero.

Capa formada	Atmósfera	Estructura	Dónde se utiliza
Solo capa de difusión	1–5 % N2	Ninguna. La zona endurecida es un gradiente de nitruros precipitados en el acero.	Matricería sensible a fisuras, como los moldes de fundición a presión, donde una piel frágil no es aceptable.
Capa compuesta, tipo γ′	15–30 % N2	Fe4N sobre la capa de difusión	Superficies de desgaste que pueden soportar una piel dura. La capa es más dura que la matriz pero menos frágil que la de tipo ε.
Capa compuesta, tipo ε	60–70 % N2 con 1–3 % de metano	Fe2-3N sobre la capa de difusión	Máxima dureza superficial, con la mayor fragilidad. Normalmente se evita en piezas que sufren agrietamiento o impacto.

Fuente: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press), Figura 4.12, adaptada allí del ASM Handbook sobre tratamiento térmico. La capa compuesta se llama capa blanca en el taller porque permanece brillante bajo el microscopio y resiste el ataque habitual.

Las dos capas no aparecen a la vez, y el orden en que se forman determina con cuál debe lidiar la operación de acabado.

Formation of the compound zone: nitrogen from the atmosphere building the epsilon and gamma-prime nitride layers at the steel surface — Fig. 8.9. Formación de la zona compuesta. El nitrógeno de la atmósfera forma primero nitruro gamma prima en la superficie del acero, y la capa de nitruro épsilon crece sobre ella a medida que continúa el suministro de nitrógeno. El ejemplo es un acero de nitruración simple; la secuencia de capas es la misma en los aceros para herramientas con cromo, donde el mismo ciclo produce una capa más delgada. Fuente: D. Pye, Nitriding Techniques, Ferritic Nitrocarburizing, and Austenitic Nitrocarburizing Techniques and Methods, en Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 8.9.

Por qué la capa blanca tiene mala fama

La capa compuesta es una piel cerámica sobre una pieza de acero, y es muy dura y muy frágil. Bien utilizada, es la mayor dureza que el tratamiento puede producir. Mal utilizada, puede causar fisuras que terminan la vida de una matriz. La fuente muestra ambos resultados en H13, primero solo una capa de difusión, luego un caso donde una capa blanca gruesa y precipitados de carbonitruro a lo largo de los límites de grano se convirtieron en trayectorias de fisura, con las fisuras viajando a través de la línea compuesta en lugar de alrededor de ella.

De ello se derivan dos reglas de taller. En piezas sometidas a impacto o ciclos térmicos, mantenga la capa delgada o suprímala; para un acero nitrurado matriz de forja, la fuente fija el límite práctico en 0,25 mm de capa, por debajo del cual las fisuras siguen siendo raras. En piezas que solo deslizan, una capa compuesta controlada aporta la mayor resistencia al desgaste con la menor profundidad de capa.

Cómo se ve la capa medida

En las curvas de respuesta publicadas con los datos, la nitruración gaseosa a 530 °C durante 36 horas lleva un acero H11 modificado a unos 1200 HV0.5 en la superficie, mantiene cerca de ese valor durante los primeros 0,1 mm y luego desciende a los 600 a 650 HV0.5 del núcleo revenido hacia los 0,3 mm. Un ciclo más corto de 525 °C seguido de 545 °C durante 10 horas alcanza un nivel superficial similar de unos 1100 a 1200 HV0.5 en H13, H11 y un H10 modificado, volviendo igualmente a la dureza del núcleo dentro de unos 0,3 mm.

Fuente: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press), Figura 4.11, curvas de respuesta a la nitruración gaseosa para H11 modificado (X38CrMoV5-1), H13 (X40CrMoV5-1) y un H10 modificado (X50CrMoV5-3). Los valores se leen de las curvas publicadas en la superficie y en profundidad.

Lectura de las curvas

La profundidad de capa en el perfil de dureza y la profundidad de nitruración nominal citada en la literatura se miden de forma diferente. El perfil anterior describe un ciclo largo de 36 horas, y su profundidad endurecida útil va más allá de los 0,1 a 0,2 mm que la fuente cita como objetivo típico para aceros para herramientas. Cualquiera sea el número que cite, mida la capa en la pieza o en una probeta que haya visto el mismo ciclo, porque la carga del horno, el flujo de gas y el estado de la superficie modifican el resultado.

Los perfiles de dureza publicados para cuatro aceros de nitruración muestran la forma que produce el ciclo anterior.

Hardness gradients of gas nitrided 41CrS4, 31CrMoV9, 15CrMoV59 and 40CrMoV51 tool and nitriding steels, hardness HV0.5 against distance from the surface — Fig. 7.50. Gradientes de dureza de aceros nitrurados: 41CrS4, 31CrMoV9, 15CrMoV59 y el grado para trabajo en caliente 40CrMoV51 (1.2344, directamente comparable con H13), representados como HV0.5 frente a la distancia desde la superficie. El material más duro se sitúa en las primeras décimas de milímetro, y el perfil desciende a la dureza del núcleo revenido más adentro, que es la profundidad de capa que importa en servicio y no la profundidad de nitruración nominal. Fuente: J. Grosch, Heat Treatment with Gaseous Atmospheres, en Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 7.50.

Gas, plasma y sal

La nitruración gaseosa aporta nitrógeno desde una atmósfera de amoníaco disociado y es el proceso del que provienen mayoritariamente los datos publicados para aceros para herramientas. La nitruración por plasma genera nitrógeno en un gas ionizado, lo que da un control más fino de la capa y permite al taller proteger zonas que deben permanecer blandas. La nitruración en baño de sales líquidas está desapareciendo por razones ambientales. La estructura de capas detrás de las tres es la misma, por lo que la elección se reduce a equipo, control y costo, y no a un resultado diferente.

Nitruración después del temple y revenido, nunca antes

El tratamiento se realiza a una temperatura inferior a la del revenido, por lo que no puede endurecer el acero por sí mismo. Se aplica a una pieza que ya está en su dureza final, que es también la razón por la que la pieza conserva su tamaño durante el proceso. Una pieza que llega al horno de nitruración con un núcleo blando vuelve con una piel dura sobre un núcleo blando, y el primer contacto bajo carga lo descubre.

La nitruración no es cementación

La cementación se realiza cerca de 900 a 1000 °C, difunde carbono para una capa rápida y profunda, y depende de un temple posterior para endurecer la superficie por martensita. Su límite es la dureza de la martensita, alrededor de 900 HV, y la capa puede ablandarse de nuevo durante revenidos posteriores. La nitruración se realiza cerca de 540 °C sobre la pieza terminada, endurece por precipitación de nitruros en lugar de por temple, y supera los 1000 HV sin un segundo tratamiento térmico. Los objetivos de profundidad de capa no son transferibles entre ambos procesos.

El aluminio en el grado responde al horno de nitruración

La dureza de una capa nitrurada proviene de los elementos de aleación que forman los nitruros, y el aluminio forma los más fuertes. Los grados que contienen aluminio como adición deliberada, como algunos aceros para moldes de extrusión y de endurecimiento por precipitación, alcanzan una capa mucho más dura que un acero para trabajo en caliente simple con 5 % Cr bajo el mismo ciclo. Cuando un plano especifica una dureza nitrurada superior al rango habitual para H13 o H11, el grado en sí suele ser la palanca, no el horno.

El potencial de nitruración y la temperatura determinan qué nitruro se forma en la capa compuesta, y el diagrama de Lehrer lo representa.

Lehrer diagram: nitriding potential against temperature, with the alpha, gamma-prime and epsilon nitride stability fields — Fig. 7.56. El diagrama de Lehrer: potencial de nitruración frente a temperatura. Por encima de la curva superior la capa compuesta es nitruro épsilon, entre las dos curvas es gamma prima, y por debajo de la curva inferior no se forma ninguna capa compuesta y el caso es solo una zona de difusión. Este es el mapa estándar para ajustar una atmósfera de nitruración gaseosa; los límites se desplazan ligeramente con el contenido de aleación, por lo que el diagrama se lee junto con una probeta de ensayo. Fuente: J. Grosch, Heat Treatment with Gaseous Atmospheres, en Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 7.56.

El sistema hierro-nitrógeno detrás de esas capas es estrecho, y por eso la nitruración se realiza a esa temperatura.

Iron-nitrogen equilibrium diagram showing the alpha, gamma-prime, epsilon and gamma phase fields and the 590 C eutectoid — Fig. 8.18. Diagrama de equilibrio hierro-nitrógeno, con los campos alfa, gamma prima, épsilon y gamma marcados. La solubilidad del nitrógeno en la ferrita es una fracción de un porcentaje y cae a casi nada a temperatura ambiente, y el eutectoide de este sistema se sitúa a 590 °C. Ese límite es la razón por la que el rango práctico de nitruración termina en unos 570 °C: por encima, el tratamiento ya no es un proceso de difusión ferrítica. Fuente: D. Pye, Nitriding Techniques, Ferritic Nitrocarburizing, and Austenitic Nitrocarburizing Techniques and Methods, en Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 8.18.

La nitruración por plasma realiza la misma función mediante una descarga luminiscente en lugar de amoníaco solo.

The ion nitriding mechanism: cathode fall, plasma, glow border, ion and electron reactions and the epsilon and gamma-prime phases formed in the surface — Fig. 8.19. El mecanismo de nitruración iónica. Los iones de nitrógeno e hidrógeno se aceleran a través de la caída catódica e inciden sobre la pieza, cediendo nitrógeno que se difunde en la superficie; el hierro pulverizado desde la pieza se recombina con el nitrógeno en el plasma y regresa a ella. Las fases epsilon y gamma-prime se forman en la misma secuencia que en la nitruración gaseosa. La figura se atribuye en la fuente al ASM Handbook, Volume 4. Fuente: D. Pye, Nitriding Techniques, Ferritic Nitrocarburizing, and Austenitic Nitrocarburizing Techniques and Methods, en Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 8.19.

Dónde se amortiza por sí solo

La forja en caliente es donde más se aplica la nitruración, porque la superficie de la matriz soporta carga y abrasión por encima de 500 °C y la dureza superficial es el factor decisivo. La extrusión en caliente le sigue, y los grados tratados con aluminio mencionados arriba se desarrollaron para ello, junto con el ESR H13 utilizado en extrusión trabajo. La fundición a presión es el caso delicado, porque el ciclado térmico agrieta rápidamente una capa frágil, por lo que la capa compuesta se mantiene delgada. En moldes de plástico el tratamiento es la forma habitual de proteger una cavidad endurecida Molde de plástico de acero contra el desgaste y de mantener el acabado pulido, y es una de las razones por las que un H13 refinado por ESR por encima de 50 HRC es popular para lentes y otros trabajos que dejan el molde brillante. El lado del pulido y texturizado de ese trabajo, incluidos los defectos que cambia una superficie nitrurada, se trata en la guía de pulido y texturizado de acero para moldes.

La secuencia de tratamiento térmico en torno al horno está en el Tabla de endurecimiento y revenido, y cómo se comporta una capa nitrurada a temperatura junto con la dureza base del grado está en el gráfico de dureza en caliente. Los otros tratamientos superficiales que compiten con él, incluidos el recubrimiento PVD y el cromo duro, se comparan en la guía de tratamientos superficiales.

Confirmar antes de cotizar

La profundidad de capa, la dureza y la estructura de capas son solo para referencia general. Los resultados reales varían según el grado, el horno, la mezcla de gases y la geometría de la pieza. Confirme el proceso con su tratador térmico y los datos del grado con la acería antes de la producción. Aobo Steel suministra acero para herramientas en condición recocida o preendurecida, y la nitruración sigue siendo un servicio realizado sobre la herramienta terminada.

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Fuentes: Tool Steels, Properties and Performance (R. A. Mesquita, CRC Press, 2017), Sección 4.2.3 con Figuras 4.11 a 4.13, Sección 4.3.2 y Sección 6.4.3. Datos de referencia solo para comparación. Confirme el ciclo y la especificación de la capa con su tratador térmico antes de la producción.